Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. М.АКМУЛЛЫ

БИОЛОГИЯ РАЗМНОЖЕНИЯ И РАЗВИТИЯ

УФА 2006

УДК 576.4

ББК 28.073

Б 63

Печатается по решению редакционно-издательского

совета Башкирского государственного педагогического

университета им. М.Акмуллы

Биология размножения и развития: курс лекций [Текст] / сост. О.А. Абросимова; под ред. В.Ю. Горбуновой. - Уфа: Издательство БГПУ, 2006. - 140с.

Лекционный курс разработан в соответствии с Государственным образовательным стандартом и учебной программой курса «Биология размножения и развития» для студентов, обучающихся по специальности 012100 «Генетика».

Материал излагается в соответствии со стадиями развития организмов - от прогенеза до процесса органогенеза. Рассматриваются особенности развития анамний и амниот, а также эмбриогенез и проблема биологического возраста человека. Включен материал о генетической и гормональной регуляции процесса индивидуального развития организмов, о процессах регенерации. Рассмотрены вопросы становления биологии индивидуального развития и ее фундаментальные и прикладные задачи.

Может быть полезен для студентов университетов, обучающихся по биологическим специальностям.

Автор-составитель: О.А. Абросимова, канд. биол. н., доц.

Научный редактор: В.Ю. Горбунова, д-р биол. н., проф.

Рецензенты: В.Г. Шамратова, д-р биол. н., проф. (БГУ);

Р.Р. Кабиров, д-р биол. н., проф. (БГПУ).

ISBN 5-87978-288-3

© Издательство БГПУ, 2006

СОДЕРЖАНИЕ

• ПРЕДИСЛОВИЕ
• ЛЕКЦИЯ 1. ИСТОКИ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ
• ЛЕКЦИЯ 2. РАЗМНОЖЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ
• ЛЕКЦИЯ 3. ПРОГЕНЕЗ
• ЛЕКЦИЯ 4 - 5. НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ
• ЛЕКЦИЯ 6 - 7. ЭМБРИОГЕНЕЗ ХОРДОВЫХ ЖИВОТНЫХ
• ЛЕКЦИЯ 8. ОСОБЕННОСТИ ЭМБРИОГЕНЕЗА МЛЕКОПИТАЮЩИХ
• ЛЕКЦИЯ 9. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ОРГАНИЗМОВ
• ЛЕКЦИЯ 10. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ РЕГУЛЯЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ
• ЛЕКЦИЯ 11. ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССА ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ
• ЛЕКЦИЯ 12. РЕГЕНЕРАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО
• РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМОВ
• ЛЕКЦИЯ 13. БИОЛОГИЧЕСКИЙ ВОЗРАСТ ЧЕЛОВЕКА
• ЛЕКЦИЯ 14 - 15. ОСНОВЫ ГЕРОНТОЛОГИИ
• ЛЕКЦИЯ 16. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ РАЗМНОЖЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
• ЛИТЕРАТУРА
• ПРЕДИСЛОВИЕ
• Биология развития является наукой, охватывающей наибольший спектр биологических проблем. Она играет объединяющую роль в отношении разных биологических наук и создает основу для интеграции молекулярной биологии, физиологии, биологии клетки, анатомии, онкологии, иммунологии и даже эволюционных и экологических исследований. Изучение эмбрионального развития организмов стало необходимым для понимания любой другой области биологии.
• Многоклеточные организмы формируются в результате сравнительно медленного процесса прогрессивных изменений, которые называются развитием. Обычно развитие многоклеточного организма начинается с одной клетки - оплодотворенного яйца, или зиготы, которая митотически делится и дает начало всем клеткам организмов. Наука, изучающая развитие животных, по традиции называется эмбриологией, т.к. развивающийся организм на стадиях от оплодотворенного яйца до рождения носит название эмбриона или зародыша.
• Однако развитие не останавливается не только в момент рождения, но и даже по достижении взрослого состояния. У большинства организмов развитие не прекращается на протяжении всей их жизни. Например, у человека каждый день происходит замена более 1 грамма клеток кожи, поскольку старые клетки слущиваются, и ежеминутно в течение жизни в костном мозге образуются миллионы новых эритроцитов.
• Поэтому о биологии развития принято говорить как о науке, включающей изучение не только эмбриогенеза, но и других процессов развития. Исследования в любой области биологии стали невозможными без знания основ биологии развития.
• В предлагаемом учебном пособии материал расположен в определенной последовательности, в которой предшествующие лекции могут служить основой для понимания последующих. Это облегчает изучение материала каждой новой лекции.

ЛЕКЦИЯ 1

ИСТОКИ И ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

ПЛАН

Введение.

1. Представления о развитии организмов в трудах мыслителей древности

2. Развитие эмбриологии в XVI - XVII веках

3. Вклад К.Ф.Вольфа и К.Бэра в дальнейшее развитие эмбриологии

4. Формирование и развитие аналитической и экспериментальной эмбриологии

5. Участие советских ученых в дальнейшем развитии эмбриологии.

6. Исследования ученых-генетиков в области эмбриологии

7. Начало работ в области биохимической генетики

8. Становление биологии индивидуального развития

Введение

Биология индивидуального развития - область науки, изучающая закономерности онтогенетического развития организмов. Она сформировалась в последние десятилетия на основе достижений экспериментальной эмбриологии, молекулярной биологии, генетики, цитологии.

Задача биологии индивидуального развития - исследование макро- и микроморфологических, физиолого-биохимических, молекулярных и генетических процессов, протекающих в развивающейся особи, выяснение факторов и механизмов, управляющих процессами развития на всех этапах онтогенеза животных, растительных организмов, а также одноклеточных форм. Столь широкий охват обусловлен распространенностью элементарных и общих закономерностей процессов развития в живой природе. Начало разработки проблем, которыми сегодня занимается биология индивидуального развития, восходит к 70-80-м годам прошлого столетия, когда на основе успехов сравнительной и эволюционной эмбриологии зародились методология и основные тенденции аналитической и экспериментальной эмбриологии, сформировались первые концепции о цитоэмбриологических механизмах наследственности. В начале века был создан фундамент всех тех областей эмбриологии, цитологии, генетики, биохимии, которые в последующем легли в основу биологии индивидуального развития. Бурный прогресс молекулярной биологии создал условия для дальнейшего их объединения, открыв доступ к пониманию наиболее тонких молекулярных механизмов эмбрио-цито-генетических аспектов процесса развития. В настоящее время знания в этой области продолжают углубляться и расширяться. Это создает трудности в однозначном и четком определении целей, методов и объектов биологии индивидуального развития. Их преодоление связано с дальнейшей разработкой проблем, относящихся к этой области, с учетом особенностей индивидуального развития организмов, отличающихся уровнем организации.

Для рассматриваемой области биологии характерен синтетический подход к изучению процессов развития, так как ее цель - познание закономерностей этих процессов применительно к целостной живой системе, создание единой концепции онтогенеза и разработка способов управления им.

Управление онтогенезом - необходимое условие для решения многих актуальных задач медицины и сельского хозяйства, прежде всего животноводства. Биология индивидуального развития животных призвана внести весомый вклад в реализацию задач Продовольственной программы по резкой интенсификации работ, направленных на выведение новых, ценных для животноводства пород сельскохозяйственных животных и их ускоренное воспроизводство. В последние годы в этой области биологии созданы фундаментальные и технические предпосылки для решения таких сложных и актуальных народнохозяйственных задач. На основе достижений экспериментальной эмбриологии, а также клеточной и генной инженерии разрабатываются методы манипулирования с яйцеклетками, эмбрионами сельскохозяйственных животных и их наследственным аппаратом с целью направленного вмешательства в процессы их воспроизводства и наследственность. Успешная реализация этих перспективных возможностей требует подготовки специалистов, способных проводить исследования на стыке эмбриологии, генетики, цитологии, молекулярной биологии.

1. Представления о развитии организмов в трудах мыслителей древности

Биология индивидуального развития - это область, формирующаяся в последние десятилетия путем синтеза ряда биологических дисциплин - эмбриологии, генетики, цитологии, биохимии и физико-химических направлений биологии (молекулярная биология, биоорганическая химия, биофизика). Процесс синтеза этих достижений в рамках биологии развития еще продолжается, и пока существует много неясного в вопросах о роли и вкладе той или иной дисциплины, их взаимоотношениях. Возникает, в частности, вопрос, имеется ли у такой широкой по профилю, многоплановой области науки единая методология и единство в понимании целей и задач, необходимых для любой научной дисциплины. Дискуссии по поводу этих вопросов будут продолжаться до тех пор, пока в рамках этой области продолжается объединение методов и знаний разнообразных дисциплин вокруг общей задачи - познания фундаментальных принципов и механизмов индивидуального развития живых существ всех уровней организации и разработка на этой основе методов управления воспроизводством и онтогенетическим развитием. Как сориентироваться в современной биологии индивидуального развития, в ее методологии, как определить будущее этой науки, выделить главные ее тенденции? Понять будущее науки помогает анализ прошлого, в данном случае - история становления биологии индивидуального развития, выявление ее истоков, роли и вклада в нее отдельных дисциплин.

Методология, основные цели и задачи биологии индивидуального развития на протяжении длительного времени формировались главным образом в области эмбриологии с ее многовековой историей борьбы, которую вели сторонники прогрессивной научной мысли. В современную эпоху эмбриология также остается основой биологии развития, потому что ей в наибольшей мере свойственны синтетический подход, понимание значения категорий целостности в индивидуальном развитии. Таким образом, эмбриология, вложив в биологию индивидуального развития основные методологические принципы и объединяя вокруг себя аналитические науки, направляет их достижения на решение главной задачи - раскрытие закономерностей индивидуального развития целостной живой системы. Остановимся на некоторых этапах истории эмбриологии.

Эмбриология - одна из наиболее древних наук. На протяжении длительной истории эта наука, олицетворяя глубокий интерес человека к тайнам зарождения живых существ, впитывала научно-технические и идейно-философские достижения, способствовала формированию научной идеологии.

Вопросы зарождения и развития новых особей были предметом многочисленных религиозных легенд и мифов. Не останавливаясь на этих моментах предыстории, а также на сведениях о примитивных эмбриологических представлениях в Египте и Древнем Востоке, обратимся к Древней Греции - стране, где впервые в истории человечества началась осознанная работа над теоретико-философскими основами наук.

Древнегреческому врачу и философу Гиппократу (460-377 г. до н. э.) приписывают сборник, в котором содержатся первые научные высказывания о развитии эмбрионов и факторах формообразования. В своих воззрениях Гиппократ основывался на предположении, что зародыш строится под действием «внутреннего огня»: части, более податливые огню, выгорают и на их месте образуются полости, другие - лишь ссыхаются и уплотняются и из них получаются стенки полостей. В результате возникают, например, органы пищеварительного тракта. По мнению Гиппократа, явления органического развития вполне можно объяснить свойствами неорганической материи. Кроме того, в их основе заложены принципы, которые позже стали характерны для концепций преформизма. Отличительная черта преформационных концепций - признание существования изначальных различий между частями зародыша (у Гиппократа - различия в «податливости» к огню) и мнение, что «отделение частей» (дифференцировка) происходит лишь в некоторый начальный момент развития, а в дальнейшем разделившиеся части только растут.

Во многом своеобразными были взгляды одного из величайших мыслителей древности, основоположника естественных наук Аристотеля (384-322 до н. э.). Эмбриологические факты, которыми располагал Аристотель, и его воззрения на развитие жизни подробно изложены в сочинении «О возникновении животных». Аристотель знал о развитии куриного зародыша уже почти все, что можно увидеть без специальной обработки и невооруженным глазом. Он имел немалые сведения по анатомии и физиологии организмов. Однако огромное влияние Аристотеля на последующую науку связано не столько с его фактическими наблюдениями, сколько с теоретико-философскими представлениями. Аристотель счел недостаточными для объяснения развития те, по современной терминологии, «механистические» причины, к которым сводил развитие Гиппократ. По Аристотелю, все природные явления определяются не только наличием нужного «неоформленного» материала («материальная причина») и начальным толчком («действующая причина»), но также «формальной (финальной) причиной» развития. Последняя есть «цель» данного процесса, та форма, к которой этот процесс стремится.

В противоположность Гиппократу Аристотель считал (и аргументировал конкретными примерами), что органы возникают не все сразу, а постепенно, один вслед за другим из бесструктурной вначале массы. Такое представление сделало Аристотеля основателем эпигенеза - противоположного преформизму учения о постепенном развитии, связанном с усложнением организации.

2. Развитие эмбриологии в XVI - XVII веках

Первые после античной эпохи систематические наблюдения за развитием зародыша цыпленка относятся, по-видимому, к концу XVI в. и принадлежат итальянскому натуралисту У.Альдрованди (1522-1605). Вслед за ним еще более подробные описания дали его ученик В.Койтер (1534-1576) и Д.Фабриций (1533-1619). Последний описал и изобразил зародышей многих позвоночных, но его работы имели скорее анатомический характер и не давали представлений о последовательном ходе развития.

Огромное значение для развития эмбриологии, как и всей биологии, сыграло появление в начале XVII в. первых микроскопов. С необозримым миром микроскопических объектов, открывшимся исследователям, знакомились бессистемно. Из числа первых исследователей, применивших микроскоп, были голландцы А.Левенгук (1632-1723) и Я.Сваммердам (1637-1680), итальянец М.Мальпиги (1628-1694). Одно из важнейших открытий в эмбриологии - обнаружение Левенгуком сперматозоидов в 1677 г. Этот же исследователь изучал партеногенез у тлей. Сваммердаму принадлежат первые работы по метаморфозу насекомых, а Мальпиги - по многим вопросам микроскопической анатомии, а также органогенезу зародыша курицы. Быстрое накопление фактического материала оживило и теоретические аспекты эмбриологии; возникло стремление осмыслить полученные факты. С этого времени и на протяжении более двухсот лет теоретическая работа в эмбриологии концентрировалась вокруг борьбы двух зародившихся еще в античные времена основных идейных течений - преформизма и эпигенеза.

Если представить себе изумление первооткрывателей микромира, увидевших множество тончайших структур там, где невооруженный глаз ничего не различал, а также, если учесть специфику развития наиболее доступных для них объектов - метаморфизирующих насекомых, нетрудно понять, почему в этот период, несмотря на огромный по тому времени технический прогресс, предпочтение отдавалось не эпигенезу, а преформизму. Действительно, основной тезис древних эпигенетиков о том, что наиболее ранние зачатки зародыша бесструктурны, легко опровергался данными микроскопии, которые свидетельствовали о существовании микроструктуры в ранних зачатках. В особенно яркой форме детальные микроструктуры, предвосхищающие организацию взрослых особей, обнаруживались в личинках и куколках насекомых, в бутонах растений. Широкое распространение получил рисунок, изображающий внутри сперматозоида готового «человечка» (рис. 1). Первоначально считалось, что авторы рисунка действительно видели в сперматозоиде «человечка» со всеми органами, позже возникло мнение о чисто символическом характере таких изображений. Но эти различия не так существенны. Сторонников мнения, что все детали строения предшествуют и предраспределены в сперматозоиде, стали называть преформистами-анималькулистами (animalculum - сперматозоид). Были и преформисты-овисты, считавшие, что организация будущей особи полностью представлена в яйце. Поводом к этому послужило открытие партеногенеза.

Итак, преформизм XVII в.- это учение, возникшее в основном благодаря необоснованной экстраполяции только что полученных микроскопических данных и утверждающее, что все детали строения будущего организма предшествуют и предраспределены с самого начала развития в том же пространственном порядке, в каком они расположены у взрослого животного. Преформисты не допускали новообразования частей, а лишь их рост. Если быть последовательным преформистом, необходимо допустить, что в яйце или сперматозоиде заготовлена структура организма не только ближайшего, но и всех последующих (потенциально бесконечного числа) поколений. Но такое допущение не казалось преформистам абсурдным. Оно было высказано в виде широко распространенной «гипотезы вложения», согласно которой тела потомков действительно вложены друг в друга, как матрешки. Некоторые только что открытые явления, например, личиночное размножение у тлей (в теле личинки обнаруживали зародыша будущего поколения), рассматривались как прямое подтверждение этой гипотезы. Сторонником гипотезы вложения был, в частности, немецкий философ и математик Г.Лейбниц.

Рис.1. Фантастические изображения сперматозоидов человека преформистами - анималькулистами (по Дж.Нидхему, 1947)

3. Вклад К.Ф.Вольфа и К.Бэра в дальнейшее развитие эмбриологии

Решительный поворот в эмбриологии был осуществлен в 1759 г. петербургским академиком Каспаром Фридрихом Вольфом (1734-1794). В этом году Вольф представил свою диссертацию под названием «Теория зарождения».

В те времена господствовало мнение физиолога и анатома А.Галлера о том, что трубчатые и мешкоподобные структуры зародыша (например, его кишечник) с самого начала имеют такую же форму, но это трудно заметить из-за тонкости стенок и их плотного слипания. Позже происходит их простое раздувание. Такое толкование строго соответствовало преформационной теории.

Вольф установил совершенно иное. Кишечник, а также зачаток нервной системы сначала представляют собой пласты, которые лишь позже скручиваются в трубки. В ходе развития образуются новые формы. По сути дела Вольф открыл формообразование и тем самым дал первый позитивный и неопровержимый аргумент в пользу эпигенеза. Судьба этих, казалось бы, столь ясных работ была трудной. Под давлением господствующих авторитетов выводы Вольфа отвергались, и его работы были на некоторое время забыты.

Надо сказать, что еще при жизни Вольфа с весьма остроумными доводами в пользу эпигенеза выступил немецкий профессор И.Ф.Блюменбах (1752-1840). Он впервые указал на несовместимость с преформизмом всевозможных случайных новообразований (например, галлы у растений) или регенерации гидры из любого, произвольно выбранного участка тела. О большой его наблюдательности и прозорливости свидетельствует то, что он обнаружил регуляции формы организма, не связанные с его ростом. Так, целая гидра восстанавливается из своей продольной половинки простым схождением краев разреза, тогда как, по убеждениям преформистов, такой процесс должен быть обязательно связан с ростом. Таким образом, для Блюменбаха, как и для Вольфа, одним из основных аргументов против преформизма было обнаружение «чистого», не связанного с ростом формообразования. Но несмотря на эти единичные догадки, уровень естественных наук не позволял еще обрести им прочную основу.

Дальнейший прогресс в эмбриологии позвоночных связан с именами М.Ратке (1793-1860), X.Пандера (1794-1865) и К.Бэра (1792-1876). Пандер в 1817г. впервые описал зародышевые листки. Он нашел, что зародыш цыпленка на определенной стадии состоит из трех пластов: наружного - серозного, самого глубокого - слизистого и промежуточного - кровяного. К.Бэр распространил этот структурный принцип на всех позвоночных, обнаружив такие же листки в развитии рыб, лягушки и черепахи. Однако у зародышей птиц он насчитывал четыре листка, считая за отдельный листок каждый из двух слоев, на которые в ходе развития расслаивается мезодерма. Таким образом, Бэр установил единство плана строения зародышей разных классов позвоночных. Это привело его к важнейшему обобщению - «закону зародышевого сходства». Бэр утверждал, что зародыши разных видов, относящихся к одному типу, более сходны между собой, нежели взрослые формы, и что их видовые различия в ходе развития постепенно нарастают. Иными словами, сначала в развитии проявляются черты типа, потом класса и т. д.

Бэр - автор многих важнейших открытий. Он впервые правильно описал яйцо млекопитающих и человека (1827) и хорду зародышей позвоночных.

В споре преформистов с эпигенетиками Бэр занимал осторожную промежуточную позицию. Всецело соглашаясь с фактическими выводами Вольфа, он выступал против утверждений о полной «бесструктурности» ранних закладок. Бэр подчеркивал преемственность каждого этапа развития - от более простого к более сложному. По его словам, развитие есть не предобразование, не новообразование, а преобразование. Такая точка зрения полностью подтверждена последующим ходом развития науки.

Следующий важнейший идейный перелом в эмбриологии, как и вообще в биологии, связан с выходом в свет в 1859 г. «Происхождения видов» Ч.Дарвина. Дарвинизм прежде всего подрывал главную опору телеологического мировоззрения, указывая на относительность органической целесообразности и на возможность достижения ее методом «проб и ошибок» (теория естественного отбора). Именно это произвело наибольшее впечатление на современников. Но не только этим своим аспектом дарвинизм повлиял на развитие эмбриологии. Наряду с палеонтологией и сравнительной анатомией Дарвин обращался к эмбриологии в поисках подтверждения своей эволюционной теории. По его словам, «...в высшей степени вероятно, что зародышевые или личиночные стадии многих животных более или менее ясно указывают на строение прародителя всей группы в его взрослом состоянии».

Таким образом, Дарвин предлагал эволюционное истолкование закона Бэра. В более категоричной форме это же положение было выражено в биогенетическом законе Э.Геккеля (1834-1919): «онтогенез есть краткое повторение филогенеза».

Гипотеза Дарвина оказалась мощным стимулом к эмбриологическим исследованиям. На основе эволюционной теории ученые разных стран за считанные годы выяснили развитие обширных, ранее совершенно не изученных групп организмов. Среди них первыми были русские эмбриологи А.О.Ковалевский (1840-1901) и И.И.Мечников (1845-1916). Особое значение имели работы Ковалевского по развитию ланцетника и асцидий, в которых были продемонстрированы сходные черты в развитии позвоночных и беспозвоночных животных. Эти исследования способствовали укреплению взглядов на эволюцию как на сквозной монофилетический процесс. А.О.Ковалевский - один из основоположников теории зародышевых листков.

4. Формирование и развитие аналитической и экспериментальной эмбриологии

В 70-80-е годы XIX в. зародилось новое направление эмбриологии, явившееся до некоторой степени реакцией на господство филогенетических принципов. В противоположность Геккелю его создатели подчеркивали необходимость изучения непосредственных причин развития с применением специальных экспериментов. Началось формирование аналитической и экспериментальной эмбриологии, внесшей наибольший вклад в изучение факторов и механизмов индивидуального развития.

Основоположниками этого направления были немецкие ученые В.Гис (1831-1904) и В.Ру (1850-1924). Зарождение аналитического направления в эмбриологии связано с деятельностью В.Гиса, анатома и эмбриолога, который первым стал внедрять в эмбриологию методы химии и физики. Неоценимое значение этих фундаментальных для биологии наук полностью раскрылось в наше время. Так, Гис указывал на важность выяснения механических сил, вызывающих изменения формы развивающегося зародыша, т.е. процессов морфогенеза. Он стремился исследовать самые ранние стадии зародышевого развития (морфогенез которых, как известно сейчас, происходит на уровне макромолекул) и выявить их роль в возникновении зачатков и органов на последующих стадиях. Тем самым В.Гис создал основы аналитической эмбриологии, одна из задач которой - целенаправленный анализ ранних стадий развития органов и тканей, выявление их еще незримых, неоформившихся зачатков. В.Гис считал, что невидимые предшественники будущих органов локализованы в еще недифференцированном зародыше и даже в яйце не беспорядочно, а пространственно упорядоченно, так, что их можно картировать. Это правило применительно к зародышу он назвал принципом органообразующих участков. Тем самым В.Гис способствовал развитию реформистских идей, явившись одним из тех, кто способствовал возрождению этого направления в новых условиях, т.е. появлению неопреформизма. Вместе с тем, говоря, что рост ранних зачатков «...происходит без соответствия с первоначальным отношением размеров», он отступал от крайней формы преформизма.

Следующим этапом в развитии новых тенденций в эмбриологии был каузально-аналитический подход. Его создатель В.Ру - крупнейший экспериментатор, оказавший большое влияние на развитие цитологии, генетики и особенно эмбриологии. В.Ру считал, что для раскрытия механизмов развития недостаточно чисто аналитического описания нормального развития, а необходимы эксперименты, для того чтобы установить причинно-следственные взаимоотношения между частями, выявить факторы, которые определяют, детерминируют пути развития частей зародыша и их дифференцировку. Таким образом, в основу своей методологии В.Ру положил эксперимент, а главной его задачей провозгласил поиск и анализ причинных факторов, определяющих развитие. Он считал, что факторы, детерминирующие зачаток, могут быть как внутри, так и вне его, и в зависимости от этого механизм их действия неодинаков. В первом случае («самодифференцировка») для развития зачатка достаточно общих благоприятных условий, во втором случае («зависимая дифференцировка») необходимо воздействие фактора извне. Он считал, что нужно выяснить не только локализацию фактора, но и время его действия, т.е. пространственно-временные параметры действия факторов, определяющих развитие каждого зачатка. Чтобы решить эту задачу, нужно искусственно изменять окружение зачатка. Таким образом, В.Ру разработал теоретические основы проблем детерминации, дифференцировки и их факторов.

В конкретных исследованиях В.Ру исходил из представления, что развитие зародыша - это высокодетерминированный процесс, где нет места случайному или неопределенному, и задача состоит в том, чтобы, описав все звенья развития, выявить в эксперименте имеющиеся между ними причинно-следственные отношения. Направление исследований В.Ру было материалистическим, но с сильным уклоном в сторону механицизма. Принижая значимость специфики живого, В.Ру внедрил в эмбриологию тот самый каузально-аналитический детерминизм, который сыграл большую роль в развитии точных наук, прежде всего механики, и предложил для своего направления название «механика развития». Несмотря на ограниченность, механика развития достигла огромных успехов в 20-30-е годы нашего столетия. Теоретические основы механики развития и каузально-аналитического метода вообще были близки к преформизму, что определило характер экспериментальных исследований и интерпретацию результатов.

В ранний период своей деятельности, в 1887 г., Ру задался целью выяснить, зависимо ли друг от друга развитие первых двух клеток (бластомеров), на которые делится сразу после оплодотворения яйцо лягушки. Он разрушил раскаленной иглой один из бластомеров и обнаружил, что из второго образуется вполне нормальная, но лишь половина зародыша лягушки. Помимо вывода о независимом развитии двух первых бластомеров этот опыт подтверждал преформистские взгляды и послужил одним из первых оснований «мозаичной теории» В.Ру, согласно которой зародыш - это мозаика из уже готовых зачатков. Эта теория была созвучна представлению Гиса об «органообразующих участках». Хотя на первых порах работы В.Ру сильно укрепили позиции неопреформизма, сам он не был стойким преформистом. Так, отмечая, что развитие - это образование «видимого разнообразия» из невидимого, он в отличие от В.Гиса уклонялся от однозначного ответа на вопрос, задано ли «невидимое разнообразие» с самого начала. Более того, когда в последующем аналогичными экспериментами было выяснено, что «мозаицизм» сосуществует с отсутствием такового, он все больше склонялся к признанию эпигенетического принципа развития.

Укреплению эпигенетического принципа развития в большой мере способствовали эксперименты Г.Дриша (1867-1941), который идеологически занимал прямо противоположную позицию. В одном из экспериментов Г.Дриш воспроизвел опыт В.Ру, но использовал иной технический прием: он отделил друг от друга два бластомера морского ежа, показав, что каждый из них способен развиться в полноценный организм. В последующем аналогичные результаты были получены на множестве других объектов. Способность части зародыша развиться в целостную особь, т.е. компенсировать отсутствующую часть, Дриш назвал эмбриональной регуляцией.

Открытие эмбриональной регуляции было событием величайшего значения, но сильно затруднило дальнейшее применение каузально-аналитического подхода. С позиций сегодняшнего дня можно сказать, что оба подхода имели огромное значение и в принципе не противоречили, а дополняли друг друга и, если отбросить крайности, которые были в каждом из них, представляли собой диалектическое единство.

Историческая заслуга Дриша состоит в том, что он проанализировал открытую им эмбриональную регуляцию развивающегося зародыша и сформулировал известный, носящий его имя закон о том, что путь развития части зародыша есть функция положения этой части относительно целого. Однако общее состояние современной Дришу науки не позволило ему продвинуться дальше самых общих формулировок.

Направление, намеченное В.Ру в экспериментальной эмбриологии, нашло наибольшее воплощение в работах школы Г.Шпемана (1869-1941). Уже в начале века, в 1901 г., Г.Шпеман в эксперименте по разделению раннего зародыша тритона получил результат, подтверждающий одновременно и мозаичную теорию В.Ру, и концепцию эмбриональных регуляций Г.Дриша. Оказалось, что дальнейшее развитие разделенных частей зависит от того, в какой плоскости зародыш расчленяется.

В последующие десятилетия Г.Шпеман и его сотрудники провели широкие эксперименты по выяснению значения взаимодействия частей зародыша в определении их будущего пути развития, т.е. фактически продолжали разрабатывать методологию В.Ру и Г.Дриша. Г.Шпеман экспериментально продемонстрировал, что именно в процессе взаимодействия частей детерминируется направление их последующей дифференцировки. Как логическое звено этих целенаправленных исследований роли взаимодействия частей зародыша в 1924 г. в лаборатории Г.Шпемана было обнаружено явление эмбриональной индукции. Это было одним из крупнейших открытий в биологии первой половины XX в. Как и в первых экспериментах с разделением зародыша, явление индукции показывало, что детерминация и регуляция - два взаимодополняющих фундаментальных принципа индивидуального развития целостной живой системы. Выяснилось, что процесс индивидуального развития зависит от множества переплетающихся внутренних и внешних факторов.

5. Участие советских ученых в дальнейшем развитии эмбриологии

В разработке такого понимания процессов развития, при котором одна и та же система факторов развития зародыша определяет и ее целостность, и ее дифференциацию на части, важная заслуга принадлежит советскому биологу А.Г.Гурвичу (1874-1954). Он искал такие факторы, действием которых можно было объяснить интегрированность процессов развития, их пространственную организацию.

Гурвич начинал свою научную деятельность под сильным влиянием идей Дриша, но не разделял его взглядов на непознаваемость целостных факторов развития. Он описывал эти факторы и их отношения с частями организма в точных математических выражениях, что для того времени (начало XX в.) было новым и непривычным. Гурвич первый ввел статистические методы в эмбриологию и обнаружил явление "нормировки" клеточных делений в целом организме, а также участие случайных событий в развитии. Ему принадлежат первые математические модели развивающихся систем, в ряде отношений предвосхитившие современные. Своей основной целью А.Г.Гурвич считал построение теории биологического поля, которую он постоянно видоизменял и совершенствовал, стремясь найти все более точные и близкие к физике формулировки взаимодействия частей в развивающемся организме. Новый этап в изучении механизмов развития связан с исследованиями школы М.М.Завадовского, создавшего направление, названное им динамикой развития. Завадовский придавал большое значение физиологическим аспектам развития, гуморальной среде, гормонам и т.д.

Постепенно формировалось направление «химической эмбриологии» (Дж.Нидхем), интенсивно развивались цитология и генетика индивидуального развития. Все это открывало новые возможности для более детального изучения различных сторон индивидуального развития, для углубления в детали процессов. Вместе с тем основные принципы и категории науки об индивидуальном развитии, ее методология, сформированные в аналитической и экспериментальной эмбриологии, остались непоколебимыми, определяя и в дальнейшем главные направления поисков. Это не означает, что принципы и категории развития, сформированные в рамках экспериментальной эмбриологии, не испытали сильного влияния со стороны других дисциплин. Напротив, такое влияние было значительным, и без его рассмотрения нельзя понять истинную историю и логику становления современной биологии индивидуального развития.

Одно из важных направлений эмбриологии, возникшее в СССР, связано с именем Д.П.Филатова (1876-1943). Он обосновал сравнительно-морфологический подход в экспериментальной эмбриологии, который был направлен на устранение накопившихся к этому времени противоречий между сравнительно-эволюционной и экспериментальной эмбриологией. Он ввел представление о «формообразовательном аппарате» как системе двусторонних взаимодействий между индуктором и реагирующей тканью, первым отметил неспецифичность ранних этапов детерминационного процесса, обосновал (одновременно с Г.Шпеманом и Ф.Леманом) принцип комплексности развития. П.Филатов создал крупную школу советских эмбриологов-экспериментаторов, из которых многие (В.В.Попов, Т.А. Детлаф и др.) внесли существенный вклад в науку.

Среди выдающихся советских эмбриологов следует отметить П.П.Иванова (1878-1942) - автора теории о ларвальном и постларвальном отделах тела первичноротых, которая в наше время успешно применена к позвоночным животным; П.Г.Светлова (1892-1974), высказавшего глубокие идеи о взаимоотношении целостных и «элементаристических» подходов в биологии развития; Г.А.Шмидта, исследовавшего ряд проблем сравнительной эмбриологии беспозвоночных и позвоночных животных; Б.П.Токина, развивающего учение о соматических эмбриогенезах, а также Г.А.Кнорре, Л.Я.Бляхера и Г.В.Лопашова.

В отношении формирования современных представлений об индивидуальном развитии большую роль сыграли цитологические и генетические исследования, которые к 30-40-м годам все более тесно смыкались с экспериментально-эмбриологическим направлением.

6. Исследования ученых-генетиков в области эмбриологии

В конце XIX в. при зарождении экспериментальной эмбриологии, когда создавались первые представления о принципах индивидуального развития, эмбриология, цитология и генетика были неразделимы. Достаточно сказать, что один из основоположников современной генетики, Т.Морган, 20 лет посвятил эмбриологии. Это было время, когда яйцеклетка с ее способностью превратиться в сложную многоклеточную особь, приковывала к себе внимание и цитолога, ибо она по структуре и свойствам мало отличима от любой клетки, и специалиста, интересующегося проблемами наследственности, ибо в яйцеклетке заключены потенции к формированию сложного организма, и эмбриолога, ибо с нее начинается индивидуальное развитие. Научной проблемой, вокруг которой сконцентрировались исследования, была проблема природы, происхождения и локализации в яйцеклетке факторов, которые определяют развитие и дифференцировку множества признаков взрослой особи.

Первой, сугубо абстрактной рабочей концепцией была гипотеза пангенезиса Ч.Дарвина, предложенная им в 1869 г. в книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии». Согласно Дарвину факторы («геммулы»), определяющие будущие признаки, распределены в органах и тканях взрослой особи, откуда стекаются в половые клетки и воспроизводятся при развитии новой особи. Рациональной в этой гипотезе была идея о том, что в половой клетке содержится набор факторов, определяющих все свойства будущего организма. Эта идея стимулировала дальнейшие изыскания, которые, однако, отвергли предложенный Дарвином механизм происхождения этих факторов.

Первым проверил эту гипотезу Ф.Гальтон, который в 1871 г. экспериментально доказал ошибочность предположения об участии органов и тканей в формировании потенций яйцеклетки. Он переливал кровь кроликов с черной окраской кроликам с белой окраской, не получив изменений окраски в потомстве реципиента.

В работах других исследователей основное внимание было сосредоточено на выяснении природы наследственных факторов. На первом этапе, когда цитология еще накапливала фактический материал о строении клетки, в том числе половых клеток (об их образовании, процессе оплодотворения и т.д.), проблема наследственных факторов решалась с абстрактных позиций. В 1884 г. ботаник К.Негели предложил концепцию «идиоплазмы» - гипотетической субстанции, определяющей наследственные потенции. Исходя из посылки, что сперматозоид и яйцо, сильно отличаясь по массе, обладают одинаковыми наследственными потенциями, он пришел к выводу о том, что в половых клетках и всех клетках тела, возникающих из них, существуют два типа веществ: идиоплазма, определяющая наследственность (ее количество одинаково в сперматозоиде и в яйцеклетке), и трофоплазма, играющая роль в процессах питания клетки, ее трофики (считалось, что ее количество в разных клетках может быть неодинаковым).

Эта идея была подхвачена, и вскоре успехи в изучении строения клетки привели к тому, что ядро, точнее хроматин, стал рассматриваться как материальный носитель наследственной субстанции - идиоплазмы. Кстати, одним из тех, кто с отчетливостью установил эту связь, был В.Ру, который в тот период изучал процесс непрямого деления (митоза). В работе «О значении фигур деления ядра» (1884) он указывал на то, что деление - это механизм распределения ядерного материала. Он допускал, что механизм деления способен и к равному, и к неравному распределению хроматинового материала ядра, т.е. наследственной субстанции.

Идея о том, что хроматин ядра - носитель наследственных потенций (идиоплазма), нашла свое место в работах О.Гертвига, Э.Страсбургера (1884), Г. де Фриза и А.Вейсмана. В учении Вейсмана эта идея приобрела наиболее законченную форму, насколько это было возможно в то время. Обобщив достижения предшественников и единомышленников, Вейсман развил ее в своей теории «зародышевой плазмы». В принципе это была та же теория идиоплазмы Негели, но Вейсман довел ее до законченной формы, дополнив целым рядом новых идей. Первая из них - это идея о неравноценности половых и соматических клеток, согласно которой «зародышевая плазма» сосредоточена только в половых клетках, а соматические клетки - лишь продукт ее реализации. Особое место в учении Вейсмана занимает идея о «непрерывности» зародышевой плазмы. Эта идея исходила из двух принципов: 1) зародышевая плазма сосредоточена в хромосомах половых клеток; 2) только часть зародышевой плазмы реализуется в течение индивидуального развития в соматических клетках, остальная часть в неизменном виде передается половым клеткам новой особи и далее - в ряду поколений. Из этой концепции, в частности, следовал вывод о ненаследуемости благоприобретенных признаков, который ближе к сегодняшним представлениям, тогда как предшественники Вейсмана считали, что благоприобретенные признаки наследуются.

Каким же образом зародышевая плазма определяет многочисленные признаки развивающегося организма, его дифференцировку? В этом вопросе Вейсман, как и Ру, большое значение придавал клеточным делениям. Он считал, что существуют два типа делений - «равнонаследственные» и «неравнонаследственные». При втором типе делений наследственное вещество распределяется по дочерним клеткам неравномерно, что создает между ними различия и дифференцирует их. В результате длительной серии неравнонаследственных делений исходный набор наследственных факторов - детерминантов - распределяется в разных клетках. Суть этой идеи, таким образом, состоит в том, что только половая клетка обладает полным набором детерминантов, тогда как в процессе развития в соматические клетки передается все более ограниченная их фракция и, в конечном счете, каждая клетка взрослого организма оказывается носителем лишь одной детерминанты, определяющей специфику этой клетки. Противопоставление половых и соматических клеток - главная методологически неверная линия гипотезы Вейсмана.

Идеи Вейсмана о зародышевой плазме, неравнонаследственном распределении детерминантов в основе оказались неверными, но в тот период имели огромное влияние на последующие поколения исследователей в этой области и надолго определили направление экспериментальных исследований. Нельзя не упомянуть и о том, что Вейсман задолго предсказал одно из крупнейших открытий в биологии - редукцию хромосом в половых клетках.

Итак, в течение последних десятилетий XIX в. была установлена важная роль ядра в наследственности, что в дальнейшем предопределило одну из центральных проблем биологии - проблему роли ядра и цитоплазмы в развитии. Хотя вывод о том, что наследственные потенции сосредоточены в ядре (хроматине), был верным, эта проблема только начинала разрешаться. Но уже тогда высказывались идеи о том, что цитоплазма также играет определенную роль в наследственности. Ряд исследователей (например, Г. де Фриз) пришли к выводу о том, что наследственное вещество - идиоплазма - частично может выходить в цитоплазму и реализовать свои потенции здесь (а не в ядре). Роль цитоплазмы в наследственности раскрылась значительно позднее, а сама проблема о роли ядра и цитоплазмы постепенно преобразовалась в проблему их взаимодействия. Это произошло в 30-е годы, когда вновь повысился интерес к проблемам биологии клетки как к важному аспекту индивидуального развития.

В начале XX столетия резко возрос интерес к проблемам наследственности. В 1900 г. Г. де Фриз, К.Корренс и К.Чермак заново открыли законы наследования дискретных признаков, описанные еще в 1865 г. Г.Менделем и оставшиеся неизвестными. Начались исследования в области мутагенеза. В 1906 г. У.Бетсон вводит понятие генетика, а в 1909 г. В.Иогансен - понятие ген, которое сразу же вытеснило не очень удачные названия единиц наследственности - фактор, детерминант. К этому времени уже не вызывало сомнений, что местом локализации генов являются хромосомы, которые имеют сложное строение, обусловленное характером расположения генов и их распределением в процессе деления. Формировалась цитогенетика, занимающаяся изучением цитологических основ генетики, главным образом морфологии, структуры, функций и изменений хромосом.

Значительный вклад в выяснение роли хромосом в наследственности был внесен трудами эмбриолога Т.Бовери. Еще в 1888 г. он сформулировал теорию индивидуальности и непрерывности хромосом, установив закон постоянства числа хромосом у видов и правило, согласно которому зигота и все соматические клетки содержат наборы материнских и отцовских хромосом. Он же показал, что хромосомы не исчезают, а сохраняют свою индивидуальность в фазе покоя клетки.

Мысль о тонкой связи между структурными компонентами хромосомы и наследственностью была отчетливо выражена в книге Э.Вильсона «Клетка в развитии и наследственности» (1896). Автор рассматривал хромосому как нить, построенную из последовательно расположенных, качественно различных элементов, определяющих наследственность. Эти элементы обладают индивидуальностью и генетической непрерывностью. В процессе митоза хромосомная нить продольно расщепляется, и ее материал поровну распределяется между дочерними клетками.

Окончательно роль хромосом как носителей генов утвердилась в хромосомной теории наследственности, создание и дальнейшее развитие которой связано с именем Т.Моргана и его учеников (К.Бриджес, Г.Меллер, А.Стёртевант). Созданию этой теории и прогрессу цитогенетики и генетики во многом способствовало широкое использование в качестве объекта дрозофил - быстро размножающихся насекомых, личинки которых содержат «гигантские» (политенные) хромосомы. Возможность визуального изучения участков хромосомы (хромомер), размеры которых соизмеримы с размерами генов, особенности биологии (короткий жизненный цикл, возможность массового разведения в лабораторных условиях) этих животных позволили интенсифицировать генетические и цитогенетические исследования. Были сформулированы и обоснованы фундаментальные принципы - линейность расположения генов в хромосомах, сцепление, кроссинговер, аллельность, начата работа по составлению генетических карт хромосом.

Вместе с тем именно в этот период бурного развития генетика сильно отдалилась от проблем индивидуального развития, а проблема реализации генов в признаках была сведена к схематизированным отношениям «ген» - «фен» (признак), генотип (совокупность генов) - фенотип (совокупность признаков особи). Онтогенетический аспект взаимоотношений между генотипом и фенотипом разрабатывался очень слабо, в рамках формализованного направления, получившего название феногенетики (термин введен в 1918 г. В.Геккером). Феногенетика в принципе была важным направлением, установившим взаимосвязи между индивидуальным развитием и генетикой. Однако и эти связи касались главным образом морфологического описания признаков. Проблемы развития еще не могли в полной мере найти свое выражение в генетике, которая была на пути становления.

Прежние взгляды о жесткой детерминированности проявления гена в признаке все меньше оправдывались. Многие факты показывали, что отношения «ген - признак» сложнее и что проявление признака - процесс, проходящий через множество стадий и зависящий от условий. Поэтому признак может проявиться в разной степени. Эти новые представления одним из первых отчетливо выразил Б.Л.Астауров. Еще в 1927 г. он писал: «Реальное положение вещей находится в непримиримом противоречии с представлениями о жесткой запрограммированности процесса развития исходными условиями живой системы и окружающей среды». Как отражение этих новых представлений появились понятия (введенные в 1925 г. Н.В.Тимофеевым-Ресовским) «пенетрантность» (процент особей в потомстве, несущих признак), «экспрессивность» (степень выраженности признака). Подверглось сомнению представление и об автономности генов: развитие признаков стало рассматриваться как результат их взаимодействия. В 1930 г. Бриджес сформулировал теорию генного баланса, согласно которой в развитии признака важно соотношение, баланс генов. По Бриджесу, отдельный признак возникает в результате совместного действия всех генов. В этих переменах отражался огромный прогресс генетики, ее сближение с проблемами развития.

7. Начало работ в области биохимической генетики

К этому времени значительного успеха достигли биологические науки, занимавшиеся изучением физико-химических и физиолого-биохимических основ жизни. В исследованиях этого плана наибольшее внимание привлекали белки, с функциями которых связывались важнейшие, в том числе и наследственные свойства клетки.

В 1913 г. Э.Фишер доказал, что белки - это цепочки из аминокислот, соединенные обнаруженной им пептидной связью. К 1936 г. были открыты все аминокислоты, из которых построены белки. В 30-х годах началось изучение пространственной структуры белков рентгеноструктурными методами. Огромных успехов достигла энзимология - наука о биокатализаторах. Уже давно было известно, что они представляют собой белки. Поскольку белки выполняют важнейшие функции в клетке, присутствуют и в цитоплазме, и в ядре, казалось очевидным, что гены тоже должны иметь белковую природу. Это представление, очень скоро превратившееся в догму о белковой природе гена, впоследствии сильно затормозило прогресс в генетике.

Большую роль в формировании истинных представлений о природе гена, механизме его действия сыграли работы в области биохимической генетики. Первой экспериментальной работой, которая положила начало биохимической генетике, были исследования А.Гаррода (1899-1910). Он обнаружил, что у больных алкаптонурией в крови и моче появляется красный пигмент - окисленная форма гомогентизиновой кислоты (промежуточный продукт окисления фенилаланина). Он предположил, что из-за генетического дефекта у этих больных отсутствует фермент, необходимый для дальнейшего химического превращения гомогентизиновой кислоты. Тем самым обнаружилась связь между конкретной энзиматической реакцией и наследственным дефектом. В дальнейшем эти исследования пополнялись новыми фактами о связи между деятельностью генов и ферментов.

Однако биохимическая генетика как наука оформилась лишь с работы Дж.Бидла и Е.Татума, которые в 1940 г. выдвинули тезис «один ген - один фермент». Из него следовало, что каждый ген ответствен за появление в клетке одного определенного фермента и что действие генов опосредовано ферментами. В этой связи следует упомянуть и работы Р.Гольдшмидта. Создавая физиологическое направление в генетике, он способствовал тому, что действие гена стали понимать как физиолого-биохимический процесс. Важнейшей заслугой Р.Гольдшмидта является то, что он рассматривал функцию гена как определенную энзиматическую реакцию: гены ускоряют или ослабляют скорость этих реакций и тем самым определяют свойства организмов. Одним из первых Гольдшмидт обратил внимание на важность количественной стороны деятельности генов, установив зависимость скорости реакции от «дозы» гена (по современной терминологии). Значение работ Р.Гольдшмидта для генетики очень велико. И хотя в 30-40-е годы еще нельзя было сказать, каким образом ген определяет скорость энзиматических реакций, является ли он сам энзимом или воздействует на него, работы в этом направлении прямо указывали на необходимость выяснения физико-химической природы гена. Прогресс в этой области тормозился отсутствием ясных, научно обоснованных знаний о молекулярных механизмах, лежащих в основе деятельности гена как единицы генетической функции, рекомбинации и мутации.